BR112015006940B1 - Composição de resina termoplástica reforçada com fibra vegetal - Google Patents

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Abstract

composição de resina termoplástica reforçada com fibra vegetal. a presente invenção é direcionada a composições vegetais termoplásticas reforçadas com fibra e a um método para reforçar resinas termoplásticas. a presente invenção proporciona um uso para a porção de celulose de um material vegetal, que é a porção que resta após o processamento dos materiais de planta selecionados para separar a hemicelulose e a lignina da celulose.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção se relaciona a uma composição de resina de compósito termoplástico que inclui fibras vegetais e um método para reforçar composições de resina termoplástica. Mais particularmente, o componente de celulose do material vegetal que permanece depois da remoção dos componentes de hemicelu- lose e lignina do material vegetal é combinado com uma ou mais resinas termoplásticas para proporcionar um compósito de resina reforçado.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[002] A indústria de plástico é uma das maiores consumidoras de enchimentos orgânicos e inorgânicos. Enchimentos inorgânicos tais como carbonato de cálcio, talco, mica e similares são bem conhecidos, bem como enchimentos orgânicos tais como farinha de madeira, joio e similares, materiais fibrosos tais como amianto e fibra de vidro, bem como grafite, coques, asfalto inflado, carbono ativado, hidróxido de magnésio, hidróxido de alumínio e similares. Todos esses aditivos têm altas gravidades específicas e sua capacidade de melhorar as propriedades físicas da composição é limitada.
[003] Como alternativa aos enchimentos em partícula, materiais termoplásticos também podem ser formados com materiais fibrosos para superar essas deficiências. Materiais compósitos reforçados com fibra com base em materiais termoplásticos estão sendo cada vez mais usados em muitas áreas tecnológicas no lugar de materiais metálicos porque eles prometem uma redução substancial no peso, com características mecânicas que são por sua vez comparáveis em muitos aspectos. Para este propósito, além da matriz termoplástica, esses materiais compósitos incluem um componente fibroso que tem uma considerável influência nas características mecânicas, em particular resistência à tensão e à flexão bem como dureza de impacto do material compósito. Componentes fibrosos usados são (i) fibras de materiais inorgânicos tais como vidro, carbono e boro, (ii) fibras metálicas de, por exem- plo, aço, alumínio e tungstênio, (iii) fibras orgânicas sintéticas, por exemplo, de poli- amidas aromáticas, alcoóis polivinílicos, poliésteres, poliacrilatos e cloreto de polivi- nil, ou (iv) fibras de origem natural, por exemplo, cânhamo e linhaça.
[004] O uso de materiais termoplásticos reforçados com fibra de vidro é de particular importância. Na Figura 1, é ilustrado um processo da técnica anterior para a incorporação de fibras de vidro em uma resina plástica, tal como polipropileno. O polipropileno 10 é inicialmente combinado a uma temperatura e pressão adequadas com as fibras de vidro 12 e outros aditivos 14, conforme desejado. O polipropileno 10, as fibras de vidro 12 e aditivos 14 são misturados para formar o material compósito 16. Esse material compósito 16 pode ser posteriormente extrudado em 18 para uso em um processo de moldagem por injeção 20 para formar um produto moldado final 22 tendo propriedades proporcionadas pela combinação do polipropileno 10 e das fibras de vidro 12, juntamente com quaisquer propriedades adicionais desejadas proporcionadas pelos aditivos 14.
[005] Entretanto, a produção de fibras de vidro requer o uso de quantidades consideráveis de energia e os materiais básicos não são biológicos na origem de modo que a sustentabilidade do processo de produção está aberta a críticas de pontos de vista ecológicos. Além disso, o descarte de materiais termoplásticos reforçados por fibra é dificultado uma vez que mesmo quando da decomposição térmica do material, quantidades consideráveis de resíduos são deixadas, as quais em geral só podem ser levadas para um local de descarte. Finalmente, fibras de vidro envolvem um alto nível de abrasividade de modo que o processamento dos materiais no contexto dos métodos de processamento usuais para materiais termoplásticos encontra dificuldades.
[006] Em virtude das desvantagens mencionadas acima, mas também para melhorar de forma geral as propriedades do material existe, portanto, no atual momento, uma busca intensiva por possíveis maneiras de substituir as fibras de vidro que predominam em muitas utilizações técnicas, como componente de reforço. Materiais fibrosos orgânicos de origem natural, tais como materiais de planta parecem ser particularmente interessantes nesse sentido por causa de sua densidade mais baixa e da redução no peso que isso acarreta para o material compósito e também pela sustentabilidade e facilidade de descarte.
[007] Foi reconhecido o potencial de uso de fibras naturais ou vegetais em aplicações em plástico como substituintes de fibras sintéticas tais como vidro, carbono, náilon, poliéster, etc. Por exemplo, Kolla e outros, patente US 6.133.348, que é incorporada aqui expressamente como referência, descreve composições termoplásticas reforçadas com fibras curtas de linhaça e um método para reforçar resinas termoplásticas. A invenção divulgada em Kolla proporciona um uso para fibras curtas ou partículas de linhaça nas composições termoplásticas, que é a porção que resta após o processamento de materiais vegetais para separar fibras vegetais (fibras da entrecasca) das fibras curtas. As fibras curtas são as fibras do tecido de núcleo que permanecem depois que as fibras da entrecasca são removidas da haste de linhaça pelo processo mecânico de separação divulgado por Leduc e outros, patente US 5.906.030, ou outros processos mecânicos de separação que envolvam bater as fibras naturais da planta ou dobrar as mesmas. Essas fibras de tecido do núcleo incluem os componentes de celulose, hemicelulose e lignina da fibra da linhaça, juntamente com uma porção menor das fibras de entrecasca lenhosas que permanecem nas fibras curtas, proporcionando às fibras curtas uma pureza de fibra de aproximadamente 80 %, no máximo.
[008] Será observado, entretanto, que o uso de materiais fibrosos naturais como componente de reforço de fibra pode ser confrontado com características mecânicas piores nos materiais compósitos resultantes, em comparação com materiais compósitos reforçados por fibra com constituintes de fibra de vidro. Além disso, fibras naturais tais como linhaça, cânhamo, ou também partículas de madeira têm uma composição flutuante: lotes individuais do material diferem dependendo da respectiva área de cultivo, período de cultivo, armazenamento e possivelmente tratamento preliminar. Isso significa, entretanto, que as características mecânicas dos materiais termoplásticos reforçados por fibra a serem produzidos também variam, o que torna o uso técnico dos mesmos mais difícil. O material pode mudar ainda na forma e na aparência em virtude de processos de degradação em curso. Finalmente, os componentes constituintes das várias fibras naturais podem eles mesmos criar problemas quando as fibras são utilizadas dessa maneira. Em particular, a fração de hemicelulose das fibras naturais absorve umidade, causando um efeito prejudicial na estabilidade da dimensão e nas propriedades de resistência à água de qualquer material termoplástico ao qual as fibras naturais sejam adicionadas.
[009] O resultado é que é desejável fazer uso das vantagens ligadas ao uso de materiais orgânicos de origem natural ao criar materiais compósitos, mas tratando-se as fibras naturais de maneira a aumentar as propriedades relevantes para o processo e relevantes para o uso dos materiais compósitos.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[010] De acordo com um aspecto da presente invenção, fibras de materiais naturais ou vegetais são usadas no enchimento e reforço de materiais compósitos formados incluindo as resinas de fibras e de matriz termoplástica, tais como polieti- leno e polipropileno. Os materiais de fibra vegetal natural a serem usados incluem componentes ou frações de celulose, hemicelulose e lignina. As fibras são tratadas antes da formação dos materiais compósitos para separar as frações de celulose, hemicelulose e lignina, de modo que a fração ou componente de celulose da fibra natural possam ser quimicamente tratados e removidos das frações de hemicelulose e lignina. As fibras do componente de celulose dos materiais vegetais podem substituir as fibras sintéticas usadas para se chegar pelo menos a características mecânicas similares para o material compósito àquelas às quais se chega quando fibras sintéticas são usadas, em particular resistência à tensão e à flexão e também dureza em impacto. Além disso, o uso da fração de celulose dos materiais vegetais naturais não absorve nem retém água, e assim não afeta de maneira prejudicial as propriedades de impermeabilidade à água do material compósito. Além disso, a fração de celulose do componente vegetal natural permite que o material compósito seja prontamente descartado e/ou reciclado.
[011] De acordo com outro aspecto da presente invenção, as fibras vegetais naturais são tratadas mecanicamente antes do tratamento químico para obtenção de um material vegetal relativamente puro para uso no processo de extração química. O tratamento mecânico específico ou decorticação é realizado de uma maneira que reduz a idade de quebra das fibras do núcleo, resultando em fibras de celulose mais longas pelo processo de extração química, as quais por sua vez proporcionam uma composição de compósito mais forte com resistência aumentada e peso mais leve que os materiais compósitos enchidos com fibra de vidro.
[012] Vários outros objetivos, aspectos e vantagens da presente invenção serão evidenciados a partir da descrição detalhada a seguir quando tomada em conjunto com as figuras dos desenhos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[013] Os desenhos ilustram o melhor modo de se pôr em prática a presente invenção.
[014] Nos desenhos:A Figura 1 é uma vista esquemática de um processo de produção de um material compósito da técnica anterior; eA Figura 2 é uma vista esquemática de um processo de produção de um material compósito de acordo com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[015] Com referência agora às figuras de desenhos nas quais numerais de referência semelhantes designam numerais semelhantes ao longo de toda a divulgação, a Figura 2 ilustra um processo para a formação de um produto 116 criado utilizando-se um material compósito 102.
[016] O material compósito 102 é formado de um material termoplástico ou de uma resina termoplástica 104, que é o termo usado para denotar materiais poliméri- cos que são macios ou duros à temperatura de uso e que têm uma faixa de transição de fluxo acima da temperatura de uso. Resinas termoplásticas ou materiais termoplásticos compreendem polímeros lineares ou ramificados os quais em princípio são capazes de fluir no caso de materiais termoplásticos amorfos acima da temperatura de transição do vidro (Tg) e no caso de materiais termoplásticos (parcialmente) cristalinos acima da temperatura de fusão (Tm). Eles podem ser processados na condição amolecida por pressão, extrusão, moldagem por injeção ou outros processos de conformação para que se obtenham partes formadas e moldadas. O material termoplástico 104 usado na presente invenção pode ser qualquer material de resina termoplástica ou combinação de múltiplos materiais termoplásticos, tais como um plástico incluindo uma ou mais resinas termoplásticas naturais ou com base em pe-tróleo, tais como polietileno, polipropileno, poliestireno, cloreto de polivinil, nitrito de poliacrila, poliamidas, poliésteres, poliacrilatos e Ácido Poli Lático (PLA), entre outros. O material termoplástico não tem de ser um homopolímero, mas pode estar também na forma de um copolímero, um polipolímero, um polímero em bloco ou um polímero modificado de alguma outra maneira. O polipropileno é um material termoplástico particularmente útil para uso na formação do material compósito 102 da presente invenção.
[017] Além do material termoplástico 104, o material compósito 102 inclui fibras de celulose 106. Essas fibras 106 podem ser obtidas a partir de qualquer material vegetal natural adequado 109, tal como materiais vegetais fibrosos naturais incluindo a) plantas com fibra de semente, em particular línteres, algodão, mafumeira e choupo, b) plantas com fibra de entrecasca, em particular fibras de esclerênquima, fibras de bambu, urtigas (que pinicam), cânhamo, juta, linho ou linhaça (fibra de linhaça e óleo de semente de linhaça), e rami, c) plantas de fibra dura, em particular sisal, cânhamo brasileiro e cânhamo de Manila, d) fibra de coco, e e) capim. Plantas de fibra de entrecasca, tais como linhaça e cânhamo, são materiais vegetais não- lenhosos naturais particularmente úteis a partir dos quais as fibras de celulose 106 podem ser obtidas.
[018] As plantas de entrecasca incluem fibras de entrecasca externas que correm longitudinalmente ao logo do comprimento das plantas e fibras de tecido de núcleo dispostas dentro das fibras de entrecasca externas. Pelo fato das fibras do teci- do de núcleo serem as fibras desejadas, as fibras de entrecasca externas têm de ser removidas antes do uso das fibras do núcleo. Ao remover as fibras de casca externas, tem de se ter cuidado para não danificar ou quebrar as fibras do tecido de núcleo para maximizar o comprimento das fibras do tecido de núcleo. Assim, em uma primeira etapa a palha é macerada sob condições ambientais controladas (por exemplo, macerada no campo, macerada quimicamente e/ou macerada com água) seguindo-se o tratamento mecânico dos materiais da planta de entrecasca, em que os materiais vegetais são decorticados pelo cisalhamento das fibras da entrecasca a partir das fibras do tecido de núcleo, e não se batendo no ou dobrando/flexionando o material vegetal como nos processos de decorticação anteriores. Pelo cisalhamento das fibras de entrecasca das fibras do tecido de núcleo, as fibras de núcleo podem ser conservadas intactas mais prontamente, mantendo-se assim de uma forma geral a resistência e o comprimento das fibras de núcleo. Utilizando esse processo, fibras de núcleo com aproximadamente 95-98% de pureza podem ser obtidas. Além disso, tanto o material de planta macerado quanto o não-macerado pode ser usado no processo de decorticação para se obter uma fibra de tecido de núcleo limpa que pode ser usada para produção do material compósito.
[019] Em cada caso, as fibras de núcleo dos materiais vegetais fibrosos naturais 109 incluem componentes de celulose, hemicelulose e lignina. Para se obter as fibras de celulose 106 utilizadas para formar o material compósito 102 a partir do material vegetal natural, a fração de hemicelulose 108 e a fração de lignina 110 são separadas das fibras ou da fração de celulose 106, de modo que uma fração de celulose cristalina purificada 106 possa ser adicionada ao material termoplástico 104 para formar o material compósito 102.
[020] Para separar as fibras de/fração de celulose 106 da fração de hemicelu- lose 108 e da fração de lignina 110 do material vegetal natural 109, qualquer processo adequado 111 pode ser utilizado, tal como aqueles empregados em materiais vegetais naturais 109 para obtenção de polpa de papel, por exemplo, processo soda ou Kraft para transformação em polpa, por exemplo. Exemplos mais específicos de processos para a separação da fração de hemicelulose 108 e da fração de lignina 110 das fibras de celulose 106 do material vegetal 109 incluem aqueles que utilizam um material alcalino 113, exemplos dos quais são divulgados em Hansen e outros, publicação de pedido de patente US 2009/0306253 e Costard, publicação de pedido de patente US 2010/0176354, entre outros, cada um dos quais é expressa e integralmente incorporado aqui.
[021] Um exemplo adequado é um processo de separação alcalina mostrado em Costard, publicação de pedido de patente US 2010/0176354, onde um material de fibra vegetal natural 109 é solubilizado de maneira alcalina e que é caracterizado pelo fato de que o material de fibra natural 109 é tratado com um material alcalino 113 sem ser submetido a tensão mecânica a) a uma temperatura entre 5 e 30°C e a seguir b) a uma temperatura entre 80 e 150°C, e é então opcionalmente lavado e/ou secado.
[022] Os materiais alcalinos 113 que podem ser usados são, entre outros materiais alcalinos adequados, hidróxido de metal alcalino, em particular hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio, carbonatos de metal alcalino, em particular carbonato de sódio ou carbonato de potássio, ou fosfatos de metal álcali, em particular fosfato trissódio ou fosfato tripotássio.
[023] A degradação da fibra acontece a um pH entre aproximadamente 8 a 14, preferivelmente 10 a 14, mais preferivelmente 11 a 12 no processo a frio (etapa a)) e preferivelmente a uma temperatura de entre 10 e 30°C, preferivelmente entre 10 e 25°C, em particular entre 15 e 25°C, mais preferivelmente entre 15 e 20°C.
[024] O tratamento a frio de acordo com a etapa a) acontece em um período de 10 minutos a 3 horas, em particular 15 minutos a 2 horas e preferivelmente 30 minutos a 1 hora. O tratamento a quente de acordo com a etapa b) do material de fibra natural entre um pH de 8 a 14, preferivelmente 10 a 14, mais preferivelmente 11 to 12, e preferivelmente a uma temperatura entre 80 e 140°C, preferivelmente entre e 140°C, em particular entre 90 e 135°C, mais preferivelmente entre 100 e 135°C.
[025] O tratamento a quente de acordo com a etapa b) acontece em um perí- odo de 20 minutos a 1,5 hora, em particular 30 minutos a 1 hora e preferivelmente 45 minutos a 1 hora. A concentração de material alcalino na água nas etapas a) e b) se baseia no ingrediente ativo (tipicamente um sólido), preferivelmente na faixa de 5 a 15g/L, em particular 7 a 13 g/L, preferivelmente 8 a 12 g/L, particularmente preferi-velmente a cerca de 10g/L.
[026] O processo realizado de acordo com as etapas a) e b) efetivamente dissolve a fração de hemicelulose 108 e a fração de lignina 110 do material vegetal natural 109, que pode ser posteriormente removido com a solução alcalina, deixando a fração de celulose 106 para trás para posterior lavagem e secagem até um nível de umidade desejado, por exemplo, cerca de 2% em peso ou menos.
[027] O tratamento alcalino de acordo com a divulgação pode ser suportado pela adição de excipientes. Dispersantes, complexadores, agentes sequestradores e/ou tensoativos são adequados aqui. Água, vidro e eliminadores de espuma também podem ser usados opcionalmente dependendo da aplicação visada. Outros ex- cipientes costumeiros também podem ser usados. A adição de um complexador, dispersante e/ou tensoativo aos banhos pode acelerar e intensificar o umedecimento das fibras. Os materiais costumeiramente usados para os respectivos propósitos no tratamento de fibra são adequados aqui.
[028] Quando separadas, as fibras de celulose 106 são fibras de celulose que têm uma pureza de pelo menos 95% p/p, isto é, as fibras 106 não contêm mais do que cerca de 5% em peso de material que não seja celulose, isto é, lignina e hemi- celulose. Além disso, as fibras de celulose 106 têm um comprimento de fibra médio de menos que cerca de 2 mm.
[029] Uma vez liberadas do material vegetal natural 109, as fibras de celulose 106 podem ser utilizadas para formar o material compósito 102. Essas fibras 106 podem ser coloridas facilmente uma vez que as fibras 106 são muito claras, isto é, de cor quase branca e o compósito feito a partir destas não tem odor. O tratamento químico da fibra 106 afeta a estrutura da celulose, por exemplo, diminuindo a crista- linidade e aumentando a estrutura amorfa. Por exemplo, o tratamento químico abre as ligações na fração ou fibras de celulose 106 para interação com a matriz poliméri- ca 104 na formação dos compósitos 102. O material compósito 102 da presente invenção pose ser misturado junto e processado por extrusão, moldagem por compressão, moldagem de injeção, ou quaisquer outras técnicas de processamento similares, adequadas ou convencionais para biocompósitos sintéticos ou naturais.
[030] A Figura 2 mostra uma modalidade do processamento do material compósito 102 da presente invenção. Os ingredientes o material compósito 102, isto é, um material termoplástico 104 e as fibras de celulose 106, podem ser misturados ou compostos uns com os outros de uma maneira eficaz para misturar completamente as fibras de celulose 106 com o material termoplástico 104, tal como em um misturador adequado, por exemplo, um misturador com alta ou baixa intensidade. Dependendo da composição específica do material termoplástico 104 e das fibras de celulose 106, a temperatura do misturador em uma modalidade deve ser de cerca de 140°C a cerca de 220°C para a combinação apropriada dos componentes para formar o material compósito. Um exemplo de um misturador eficiente para misturar as fibras 106 e o material termoplástico 104 é um misturador termocinético de alta in-tensidade. Nesses tipos de misturadores, a energia de atrito aquece o conteúdo até que ele se derreta, um processo que leva segundos ou minutos dependendo da velocidade da hélice. Em outro aspecto da invenção, o calor de uma fonte externa pode ser fornecido para derreter o material termoplástico 104 e efetuar a mistura das fibras de celulose 106. Um exemplo de um misturador de baixa intensidade é um misturador de fita.
[031] A formulação do material compósito 102 pode ser adaptada modificando-se as quantidades ou proporções do material termoplástico 104 e das fibras de celulose 106 usadas para formar o material compósito 102 dependendo da aplicação e/ou função específica para o material compósito 102. Aditivos (incluindo, entre outros, aumentadores do fluxo, antioxidantes, plastificadores, estabilizadores UV, agentes espumantes, retardadores de chama, etc.) são usados em formulação para melhorar a funcionalidade do produto compósito. Para aceitar o uso específico e as cor- respondentes propriedades requeridas do material compósito 102, a mistura dos po- límeros/material termoplástico 104 e das fibras 106 também pode ser variada quanto à temperatura e à pressão. Além disso, os parâmetros para mistura e as proporções dos componentes para o material compósito 102 podem ser alteradas dependendo do material parcial específico a partir do qual as fibras 106 são obtidas. Exemplos dos polímeros usados como material104 incluem, entre outros, acrilonitrila butadieno estireno, polietileno, polipropileno, poliestireno, cloreto de polivinil, nitrito de poliacri- la, poliamidas, poliésteres, poliacrilatos, outros plásticos usados em engenharia e misturas dos mesmos.
[032] Em algumas modalidades particulares do material compósito 102, as proporções/percentagens de peso do material termoplástico 104 e das fibras de celulose 106 usadas na formação do material compósito 102 variam de 1-60%. O carregamento de fibra em biocompósito para o processo a seguir pode ser variado de processo para processo. Porcentagens de carregamento de fibra exemplificativas de acordo com vários processos de moldagem nos quais o material biocompósito é usado são como a seguir:Produtos de extrusão: 1-30% (exemplos de produtos: tortas, perfis)Moldagem por injeção: 1-45% (exemplos de produtos: pequenos componentes)Moldagem por compressão: 1-60% (exemplos de produtos: armários de cozinha, componentes para bicicletas)Moldagem rotativa: 1-30% (exemplos de produtos: tanques de água, grandes caixas de armazenamento)Formação de vácuo/Termoformação: 1-20% (exemplos de produto: materiais de embalagem, xícaras, pratos, caixas, isolamento para edifícios).
[033] Em uma modalidade particular, a mistura/extrusão do material termoplástico 104 e da fibra de celulose 106 para formar o material compósito 102 é desempenhada com um liquidificador a seco, misturador, extrusor com parafuso paralelo. Os parafusos paralelos no dispositivo servem para misturar as fibras 106 homo- geneamente com o polímero 104, ao mesmo tempo em que reduzem também o dano e/ou quebra das fibras de celulose 106 na mistura que forma o material de compósito 102. Além disso, os parafusos paralelos ajudam a reduzir o tempo de residência da formulação de material compósito 102 pelo aumento da velocidade de mistura dos componentes do material compósito 102 no dispositivo.
[034] Como resultado do uso de fibras de celulose purificada 106 obtidas pelo processamento mecânico e químico descrito anteriormente, as fibras 106 desenvolvem uma ligação molecular com o material termoplástico 104 quando misturadas para formar o material compósito 102 o que proporciona desempenho superior de materiais compósitos que possuem ligação apenas mecânica entre o polímero e as fibras de reforço. Sem pretender ficar preso a qualquer teoria em particular, acredita- se que essa ligação molecular ocorra como resultado do fluxo do material termoplástico 104 para dentro das fibras modificadas 106 preenchendo as mesmas durante o processo de mistura/extrusão. O aumento na temperatura de fusão do biocompósito 102 indica um possível efeito de polimerização da fibra que se difunde ou dissolve no polímero no compósito e aumenta correspondentemente a resistência térmica do compósito. Devido à superfície porosa da fibra tratada, a matriz de polímero fundido entra na fibra porosa e elas se entrelaçam uma à outra e para formar uma ligação forte dentro do biocompósito 102. Requer-se uma maior investigação para determinar a natureza exata da ligação. Além disso, matrizes de polímero encapsulam a fibra e aumentam a resistência do biocompósito e reduzem a porosidade e a formação de bolsas de ar dentro do biocompósito. Essa ligação molecular entre as fibras 106 e o material termoplástico 104 melhora significativamente as propriedades do material compósito 102, por exemplo, propriedades mecânicas incluindo resistência à tensão e à flexão bem como dureza contra impacto, e propriedades térmicas. As propriedades do biocompósito 102 variam como resultado do carregamento da fibra e do tipo de polímero e/ou aditivos usados na formação do biocompósito 102. Isto, por sua vez, aumenta a funcionalidade de produtos 122 formados pelo material compósito 102 e habilitam os produtos 122 a serem usados em uma faixa mais am- pla de aplicações industriais do que materiais reforçados com fibras anteriores. Além disso, juntamente com a redução no tempo de processamento no dispositivo de parafusos paralelos, a ligação molecular entre as fibras 106 e o polímero 104 limita qualquer redução significativa de aditivos embutidos presentes no polímero/material termoplástico 104. Sendo assim, basta apenas complementar quaisquer aditivos requeridos, tais como aditivos de ligação, presentes no polímero 104 durante a formulação do material compósito 102, ao invés de acrescentar toda a quantidade dos aditivos fora daqueles contidos no polímero 104.
[035] Uma vez misturado/composto, pode se deixar o material compósito fundido 102 esfriar à temperatura ambiente e a seguir ser processado novamente por tecnologias convencionais de processamento de plástico. Tipicamente, a mistura resfriada é granulada em partículas finas. As partículas finas são então utilizadas para extrusão 112, injeção 114 e/ou moldagem por compressão para formar partes ou produtos acabados 116.
[036] Em uma modalidade alternativa, o misturador pode ser operado sem calor, de modo que o material termoplástico 104 e as fibras de celulose 106, após serem misturados juntos, sejam transferidos para uma tremonha de alimentação, tal como uma tremonha de alimentação por gravidade ou uma tremonha com um mecanismo de alimentação de controle. Alternativamente, o material termoplástico 104 e as fibras de celulose 106 podem ser individualmente alimentados para o extrusor sem serem previamente misturados juntos. A tremonha de alimentação transfere o compósito para um extrusor aquecido 112.
[037] O extrusor 112 mistura os ingrdientes sob calor e pressão suficientes. Diversos extrusores bem conhecidos podem ser usados na presente invenção, por exemplo, um extrusor com parafuso duplo. O extrusor 112 força ou injeta o material composto 102 em um molde 114. Em uma modalidade exemplificativa, a taxa de fluxo do extrusor 112 pode estar entre cerca de 150 e 600 libras por hora. Em outras modalidades a taxa de fluxo pode ser mais alta ou mais baixa dependendo do tipo e do tamanho do extrusor 112. O molde de injeção 114 pode ser constituído de uma ou mais placas que permitem que a ligação com o material composto 102 e formam um produto com formato homogêneo 116. Um prato típico pode ser feito de material de aço temperado, material de aço inoxidável ou outros tipos de metais. Um sistema de refrigeração (por exemplo, um banho ou spray líquido, um sistema de resfriamento de ar, ou um sistema de resfriamento criogênico) pode se seguir ao molde de injeção 114.
[038] No misturador, um número qualquer de auxílios ou aditivos de processamento opcionais 115 pode ser adicionado ao material termoplástico 104 e às fibras de celulose 106. Esses auxílios ou modificadores de processamento agem para aumentar a dispersão de fibras 106 no material polimérico termoplástico 104 e também ajudam a evitar a absorção de água para dentro das fibras 106 e aumentar as diversas propriedades térmicas, mecânicas e elétricas do material compósito 102, por exemplo, a resistência do material compósito resultante 102. Os níveis de adição dos modificadores ou compatibilizadores usados depende das propriedades alvo. Por exemplo, onde se deseja resistências mais altas à tensão e à flexão, níveis mais altos de modificador ou compatibilizador serão exigidos. Não se requer um compati- bilizador para se atingir uma rigidez mais alta.
[039] Em um exemplo específico da presente invenção, o material compósito 102 inclui uma quantidade de um aditivo contra desgaste 115 selecionado dentre pó de alumínio ou de cobre, ou combinações dos mesmos para aumentar as propriedades de desgaste e aumentar a longevidade do produto final 122.
[040] Com relação aos processos de moldagem 120 usados para formar o produto final 122, o material compósito 102 melhora o produto 122 formado por esses processos 120 através da redução da formação de pequenos furos e da porosidade do produto material 122. Não desejando estar limitado a qualquer teoria específica, acredita-se que esses resultados são alcançados no material composto 102 em virtude da embalagem compacta e da densidade aumentada das fibras 106, do polímero 104 e dos aditivos 115 devido às propriedades das fibras de celulose 106, e à consequente remoção de bolhas de ar presas durante o processamento das fi- bras 106 e do material termoplástico 104, juntamente com os aditivos 115, para formar o material compósito 102. Como resultado, o produto final 122 é mais sólido e mais forte que produtos formados de materiais reforçados por fibra anteriores.
[041] Além disso, com o uso de fibras de celulose 106 formadas da maneira descrita acima, é possível se conseguir propriedades (mecânicas, térmicas, elétricas, etc.) de um grau mais alto para o produto final 122 ao mesmo tempo em que se usa materiais termoplásticos de um grau inferior 104 em combinação com as fibras de celulose 106. Em particular, como resultado das propriedades e pureza das fibras de celulose 106, as fibras 106 podem se ligar bem com uma ampla faixa de grau de materiais poliméricos/termoplásticos 104 para conseguir produtos 122 com as propriedades desejadas. Além disso, para tratar de quaisquer problemas apresentados pelo material polimérico/termoplástico específico 104, a percentagem em peso ou a proporção em peso das fibras 106 Fine podem ser aumentadas na formulação do material compósito 104 sem que haja um comprometimento da qualidade e propriedades desejadas do produto final 122. Além disso, pelo aumento da quantidade de fibras de celulose 106 utilizadas no material compósito 102, o consequente consumo do polímero 104 será reduzido.
[042] Para um melhor entendimento dos objetivos e vantagens da presente invenção, a mesma será descrita agora por meio de diversos exemplos. Entretanto, deve ser entendido que a invenção não está limitada a esses exemplos específicos, mas outras alterações podem ser consideradas dentro do escopo e sem que haja um afastamento do espírito da invenção como descrita nas reivindicações anexas.
[043] Embora a formulação do material biocompósito específico 102 dependa do produto final 122 formado a partir do material biocompósito 102, sua funcionalidade, e/ou, como descrito acima, o processo de moldagem específico usado para conformar o material biocompósito 102 no produto final 122.
[044] Em um exemplo de composição de biocompósito 102, a formulação inclui:a) material(is) termoplástico(s) natural(is)/com base em petróleo: 99-40% p/p b) fibra 1-60% p/pc) aditivos 1-5% p/p
[045] Materiais biocompósitos 102 de diferentes graus (por exemplo, grau de extrusão, grau de injeção, grau de compressão, grau de rotação, grau de formação de vácuo) são fabricados mudando-se a formulação do material biocompósito 102, e em um exemplo mudando a quantidade de fibra 106 presente e consequentemente ajustando-se as percentagens dos componentes restantes.
[046] Um exemplo específico de uma formulação termoformadora/formadora de vácuo para o material biocompósito 102 é como a seguir:a) poliestirenob) fibra natural tratadac) butanod) aditivos (estearato de zinco, estearato de magnésio)e) pó de talco.
[047] Outros exemplo de material biocompósito 102 formado de acordo com a presente invenção são encontrados nas tabelas a seguir.
Figure img0001
Figure img0002
Figure img0003
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[048] Óleo de semente de linhaça e fibra de cânhamo industrial têm um futuro promissor na indústria de plásticos. Observe-se que linhaça e cânhamo não- macerados e quimicamente macerados podem ser usados em compósito plástico (LLDPE e HDPE). Fibra macerada quimicamente aumentou a Tm do compósito em comparação com polietileno puro. O aumento da Tm pode ser atribuído ao efeito da polimerização da fibra que se difunde ou se dissolve no polímero em compósito e aumentou a resistência térmica do compósito. Essa investigação indicou que o ma- ceramento químico teve uma grande influência nas propriedades mecânicas dos produtos compósitos de polímero (de linhaça e de cânhamo) desenvolvidos através de processos de moldagem rotativos.
[049] Várias outras alternativas são consideradas como se encontrando dentro do escopo das reivindicações a seguir indicando particularmente e distintamente a matéria considerada como invenção.

Claims (7)

1. Composição de resina termoplástica reforçada, CARACTERIZADA pelo fato de que consiste de:a. uma resina termoplástica;b. de cerca de 1 a cerca de 60 % em peso de fibras de celulose com base no peso da composição, as fibras de celulose tendo uma superfície porosa obtida pelo cisalhamento mecânico e subsequente separação química da fração da fibra de ce-lulose das frações de hemicelulose e lignina de um material vegetal natural, em que as fibras de celulose e a resina termoplástica estão molecularmente ligadas umas às outras pela resina que flui para dentro e difunde ou dissolve as fibras de celulose na resina.
2. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o material vegetal natural é selecionado do grupo que consiste em materiais vegetais fibrosos naturais incluindo a) plantas com fibra de semente, línteres, algodão, mafumeira e choupo, b) plantas com fibra de entrecasca, plantas com fibras de esclerênquima, plantas com fibras de bambu, urtigas, cânhamo, juta, linho ou li-nhaça e rami, c) plantas de fibra dura, sisal, cânhamo brasileiro e cânhamo de mani-la, d) fibra de coco, e e) capim.
3. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o material vegetal natural é um material de planta de fibra de entrecasca.
4. Composição, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADA pelo fato de que as fibras de celulose são formadas por pelo menos 95% de fibras de celulose pura.
5. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a resina termoplástica é selecionada do grupo que consiste em polietileno, polipropileno, poliestireno, cloreto de polivinil, nitrito de poliacrila, poliamidas, poliés- teres, poliacrilatos e misturas dos mesmos.
6. Composição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o termoplástico é uma poliolefina ou poliamida ou um plástico de engenha- ria.
7. Composição, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADA pelo fato de que o termoplástico é polipropileno ou acrilonitrila butadieno estireno.
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